三種疊放形式的圓管型人工魚礁流場效應(yīng)數(shù)值模擬與PIV試驗(yàn)研究*

鄭延璇 梁振林 關(guān)長濤 宋協(xié)法 李 嬌 崔 勇李 強(qiáng) 單曉鸞 徐雯雯

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三種疊放形式的圓管型人工魚礁流場效應(yīng)數(shù)值模擬與PIV試驗(yàn)研究*

鄭延璇1, 2梁振林1, 3關(guān)長濤2①宋協(xié)法1李 嬌2崔 勇2李 強(qiáng)4單曉鸞4徐雯雯4

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋生物水環(huán)境工程實(shí)驗(yàn)室 青島 266003; 2. 中國水產(chǎn)科學(xué)研究院黃海水產(chǎn)研究所 農(nóng)業(yè)部海洋漁業(yè)可持續(xù)發(fā)展重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 碳匯漁業(yè)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 3. 山東大學(xué)(威海) 漁業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室 威海 264209; 4. 乳山市海洋與漁業(yè)局 威海 264500)

人工魚礁單體按不同的數(shù)量和排列方式組合投放會產(chǎn)生不同的流場效應(yīng)。圓管型礁為目前黃渤海區(qū)增殖礁的重要礁體型式, 為優(yōu)化該礁體的投放數(shù)量與排列方式, 選擇了3種不同疊放個(gè)數(shù)(1個(gè)、3個(gè)和6個(gè))的圓管礁, 設(shè)定了5個(gè)流速梯度(4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s), 利用PIV粒子圖像測速技術(shù)和Fluent數(shù)值模擬軟件對圓管型人工魚礁的流場進(jìn)行水槽模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。結(jié)果表明, 數(shù)值模擬結(jié)果與水槽試驗(yàn)結(jié)果基本吻合, 誤差在20%以下, 表明數(shù)值模擬能夠反映人工魚礁的流場效應(yīng); 當(dāng)礁體疊放個(gè)數(shù)一定時(shí), 最大上升流流速、上升流高度和上升流面積均隨來流速度的增加而增大, 背渦流面積呈現(xiàn)不規(guī)則的變化; 當(dāng)來流速度一定時(shí), 最大上升流流速、上升流面積、上升流高度和背渦流面積均隨礁體疊放個(gè)數(shù)的增加而增大。

人工魚礁; 流場效應(yīng); 數(shù)值模擬; PIV試驗(yàn)

人工魚礁是人為地在海中投放的構(gòu)造物, 能夠利用海洋生物的行為特性, 將生物誘集到魚礁區(qū), 為海洋生物提供一個(gè)良好的生長、繁育的人工場所。人工魚礁投放到海域后會產(chǎn)生多種效應(yīng), 如餌料效應(yīng)、流場效應(yīng)等, 其中流場效應(yīng)被認(rèn)為是人工魚礁的主要影響機(jī)制。研究表明人工魚礁的流場效應(yīng)決定著海域的營養(yǎng)鹽和初級生產(chǎn)力水平, 顯著影響魚礁的生物誘集和增殖功能(王宏等, 2009)。

目前, 國內(nèi)外學(xué)者對于人工魚礁流場效應(yīng)的研究主要為水槽試驗(yàn)和風(fēng)洞模型試驗(yàn), 也有少數(shù)學(xué)者將粒子圖像測速(Particle Image Velocimetry, PIV)技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬應(yīng)用到人工魚礁流場效應(yīng)的研究中。日本學(xué)者中村充(1979)在數(shù)學(xué)形式上將人工魚礁的受力表示成流速和流速導(dǎo)數(shù)的函數(shù)。關(guān)長濤等(2010)利用粒子圖像測速方法對復(fù)合M型魚礁模型周圍的流場進(jìn)行了分析。劉彥等(2010)利用粒子圖像測速方法研究了星體型人工魚礁周圍的流場變化。此外, 還有部分學(xué)者利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬的方法對人工魚礁區(qū)流場特性進(jìn)行研究(劉同渝, 2003; 虞聰達(dá)等, 2004; 潘靈芝等, 2005)。崔勇等(2009, 2011)采用ANSYS軟件對單體星型礁和不同布設(shè)間距的組合正方體礁周圍的流場進(jìn)行了分析, 證明了數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)確的反映人工魚礁周圍的流場分布。Jiang等(2010)利用Fluent軟件和PIV水槽模型試驗(yàn)分析了單體立方體礁的受力和流場效應(yīng), 數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致, 表明數(shù)值模擬能較好的反映人工魚礁周圍上升流和背渦流情況。李珺等(2010)采用LES(大渦模擬)紊流模式, 對米字型人工魚礁單體周圍的流場進(jìn)行了三維模擬, 并將模擬結(jié)果與水槽試驗(yàn)結(jié)果相比較, 表明利用三維數(shù)值模擬計(jì)算方法模擬人工魚礁的流場變化是可行的。

圓管型人工魚礁是一種常用礁型, 經(jīng)過近年來的投放使用, 發(fā)現(xiàn)其集魚效果顯著, 生態(tài)效應(yīng)良好。由于圓管礁為了保持其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和堅(jiān)固性, 礁體規(guī)格較小, 因此在投放時(shí), 常采用成堆投放的方式, 在海底形成的礁群形狀也多種多樣, 所以礁群周圍的流場效應(yīng)也不同。本文利用PIV技術(shù), 對不同疊放個(gè)數(shù)圓管型人工魚礁周圍的流場進(jìn)行模型試驗(yàn), 同時(shí)利用Fluent軟件, 做了相同規(guī)格尺寸、相同水域環(huán)境下的數(shù)值模擬, 以期能夠通過綜合分析PIV模型試驗(yàn)結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果, 為人工魚礁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、投放形式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 PIV模型試驗(yàn)

1.1.1 試驗(yàn)裝置 PIV測試技術(shù)能夠在不干擾流場的情況下精確得到二維流場的速度場分布, 具有無接觸、無擾動、準(zhǔn)確度高的特點(diǎn), 特別適用于湍流等非定常復(fù)雜流場的測量, 是研究湍流等復(fù)雜形態(tài)瞬態(tài)流動的有力手段(胡海豹等, 2007; 劉彥等, 2010)。

PIV流場試驗(yàn)于2012年4月在大連理工大學(xué)海岸和近海工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室PIV水槽中進(jìn)行。該水槽長22m、寬0.45m、高0.6m, 試驗(yàn)段水槽底部和側(cè)面均由透明玻璃構(gòu)成, 一端配有造流系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)造流裝置的電機(jī)頻率()來改變流速, 水深設(shè)定為0.5m, 水體為自來水。試驗(yàn)采用美國TSI公司設(shè)計(jì)的PIV系統(tǒng), 主要包括高速CCD相機(jī)、EPIX(R)圖像采集卡等, 示蹤粒子采用聚氯乙烯(PVC)粉末, 試驗(yàn)光源采用激光, 激光脈沖采用同步儀控制。圓管礁原型尺寸為：圓管外直徑0.5m, 高1.0m, 壁厚0.05m。根據(jù)魚礁投放實(shí)際水深(10m)和水槽最大水深(0.5m), 確定魚礁模型比尺為1∶20, 材料為有機(jī)玻璃。模型尺寸為：圓管外直徑為0.025m, 高度為0.05m, 壁厚為0.0025m。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

1.1.2 試驗(yàn)方法和內(nèi)容 試驗(yàn)時(shí), 將與流體密度相當(dāng)并且具有良好跟隨性和反光性的示蹤粒子投入到所研究的流體空間, 把魚礁放置在水槽的中間測試區(qū)域, 為了避免魚礁出現(xiàn)滑移、滾動現(xiàn)象, 將礁體固定在玻璃上。由于魚礁模型粘貼在非常光滑的玻璃板上, 邊界層對試驗(yàn)的影響效果并不顯著, 可以假設(shè)為光滑的平面。因此在水槽模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究魚礁周圍流場效應(yīng)時(shí), 均忽略了底部邊界層對實(shí)驗(yàn)精度的影響。激光從水槽底部打向模型的中軸面, 將聲學(xué)多普勒(ADV)流速儀設(shè)置在魚礁的上游位置, 當(dāng)ADV流速儀顯示來流速度達(dá)到試驗(yàn)流速時(shí), 使用CCD高速攝像機(jī)捕捉粒子跟隨流體運(yùn)動的圖像, 每個(gè)流速采集2次, 每次采集50對圖像, 每對圖像采集的時(shí)間間隔為0.4s, 用Insight 3G軟件對圖像進(jìn)行分析即可得相應(yīng)流場的流速分布。將每50個(gè)流場分布圖利用Tecplot軟件計(jì)算該時(shí)段的平均流場分布, 可得兩組平均流場分布圖, 取其平均, 則認(rèn)為是該流速下的流場分布。

圖1 PIV試驗(yàn)布置示意圖

圓管型礁體流場試驗(yàn)分3種疊放數(shù)目, 分別由1個(gè)圓管、3個(gè)圓管與6個(gè)圓管組成。魚礁結(jié)構(gòu)如圖2所示。根據(jù)魚礁投放海域的最大流速和試驗(yàn)流速的梯度設(shè)計(jì), 選取5個(gè)海域?qū)嶋H流速, 依次為20、40、60、80、100cm/s。由于在水槽模型試驗(yàn)中, 水流的主要作用力是重力、慣性力和紊動阻力, 因此在保證主要作用力相似, 忽略次要力的基礎(chǔ)上, 使模型試驗(yàn)的精度滿足需要。根據(jù)重力和紊動阻力相似準(zhǔn)則, 試驗(yàn)流速依次為4.5、9.0、13.5、18.0和22.5cm/s。在這5種試驗(yàn)流速下, 雷諾數(shù)在103—104之間, 根據(jù)相似與?；碚? 流場進(jìn)入“自動模型區(qū)”(周應(yīng)祺, 2001)。

3種疊放數(shù)目魚礁的最大長度為0.075m, 寬度為0.05m, 水槽長度為22.0m, 寬度為0.45m。試驗(yàn)時(shí), 將礁體擺放在水槽中間位置, 水槽長度滿足了魚礁模型試驗(yàn)的要求, 魚礁距離水槽側(cè)壁的距離達(dá)到了4倍的礁體寬度, 可以忽略壁面效應(yīng)的影響, 因此也基本滿足模型試驗(yàn)的要求。

1.2 數(shù)值模擬方法

1.2.1 控制方程和標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型 根據(jù)人工魚礁區(qū)流體的特性, 將流體假設(shè)為不可壓縮、定常、粘性流體。時(shí)均連續(xù)方程和Reynolds方程如下(王福軍, 2004):

圖2 單個(gè)圓管、3個(gè)圓管和6個(gè)圓管礁疊放方式示意圖

其中,G是由于平均梯度引起的湍動能的產(chǎn)生項(xiàng),eff為有效湍動粘度,1和2為經(jīng)驗(yàn)常數(shù), 這些項(xiàng)和系數(shù)的計(jì)算公式如下：

式中,μ為湍動粘度;為無量綱參數(shù);0C均為常數(shù);E為時(shí)均應(yīng)變率。

1.2.2 數(shù)值模擬模型 模擬采用的人工魚礁規(guī)格與PIV試驗(yàn)中模型的規(guī)格一致, 具體尺寸為圓管外直徑0.025m, 高0.05m, 壁厚0.0025m。

1.2.3 計(jì)算域和邊界條件 計(jì)算域尺寸的設(shè)定是根據(jù)PIV試驗(yàn)中水槽的尺寸和魚礁單體的尺寸綜合決定的。在模擬中, 將計(jì)算域的寬度設(shè)定為水槽的寬度0.45m, 計(jì)算域的高度設(shè)定為水深高度0.5m, 計(jì)算域的長度則根據(jù)魚礁單體的尺寸進(jìn)行設(shè)定, 為16倍的礁體長度(魚礁前方5倍, 魚礁后方10倍), 以確保尾流區(qū)的范圍能達(dá)到10倍的礁體尺寸。計(jì)算域尺寸設(shè)定如圖3所示。

圖3 計(jì)算域尺寸的設(shè)定

數(shù)值模擬中設(shè)定的邊界條件如下(王福軍, 2004; Huggins, 2004, 2005)：

(1) 入口邊界條件選擇速度入口邊界條件(5個(gè)入口流速), 其中湍動能強(qiáng)度和湍流尺度都是根據(jù)計(jì)算域的各項(xiàng)參數(shù)預(yù)先計(jì)算好的。由于動力水槽在造流時(shí)受電壓等影響, 存在造流不穩(wěn)定的問題, 所以模擬采用的具體流速大小根據(jù)水槽試驗(yàn)的實(shí)際測量值來確定。

(2) 出口邊界條件選用壓力出口邊界條件, 在出口邊界處設(shè)置的靜壓是相對壓力。

(3) 魚礁個(gè)體及底面設(shè)定為壁面邊界條件, 并且采用默認(rèn)的無滑移邊界條件。

1.3 人工魚礁流場效應(yīng)評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算方法

虞聰達(dá)等(2004)研究表明, 不同類型船礁組合產(chǎn)生的最大上升流流速為來流速度的0.05—0.15倍, Liu等(2012)認(rèn)為, 研究人工魚礁流場效應(yīng)時(shí), 當(dāng)豎直方向(軸)的流速等于或者大于10%的來流速度時(shí), 就把該區(qū)域定義為上升流區(qū)域。為此, 本文借鑒上述研究結(jié)論, 將豎直方向流速大于等于0.1倍來流速度的區(qū)域定義為上升流區(qū)域, 上升流高度和背渦流高度都是以魚礁底部為零點(diǎn)計(jì)算的。背渦流面積為背渦流高度和長度的乘積。謝亮(2010)指出, 在計(jì)算不規(guī)則形狀的面積時(shí), 采用傳統(tǒng)方法可能比較費(fèi)力, 利用Photoshop可以將圖像中特定的區(qū)域做成一個(gè)選區(qū), 然后通過統(tǒng)計(jì)選區(qū)中的像素?cái)?shù)目來計(jì)算出面積, 再通過比例尺的換算, 得到實(shí)地面積。因此在本文中, 上升流面積的計(jì)算采用Photoshop像素法。

2 結(jié)果與討論

人工魚礁的流場效應(yīng)主要表現(xiàn)在魚礁前方的上升流區(qū)域與魚礁后方的背渦流區(qū)域(劉同渝, 2003; 王宏等, 2009)。因此, 本文在分析人工魚礁流場效應(yīng)時(shí)主要考慮魚礁周圍上升流和背渦流的分布情況。

2.1 不同個(gè)數(shù)礁體疊放的流場效應(yīng)

2.1.1 單個(gè)圓管礁 圖4為PIV試驗(yàn)(左)和Fluent數(shù)值模擬(右)中5個(gè)流速下單個(gè)圓管礁周圍流場的分布情況。從圖中可以看出, 不論是模型試驗(yàn)還是數(shù)值模擬, 在圓管礁上方都形成了非常明顯的上升流, 在礁體后方也形成了明顯的背渦流。但是從圖中可以看出, PIV試驗(yàn)中背渦流的形狀不是很明顯, 與數(shù)值模擬存在偏差, 這主要有兩方面原因: 一是因?yàn)樵谒俣仁噶繄D中, 流速大小不僅用顏色表示, 也與線段的長短有關(guān), 因此PIV模型試驗(yàn)的矢量圖中背渦流形狀不是很明顯, 但是可以通過加入軌跡線的辦法畫出PIV試驗(yàn)中背渦流的形狀; 二是模型試驗(yàn)存在誤差, 這些誤差可能由多個(gè)因素引起, 例如示蹤粒子的密度、水槽的震動等。

(1) 上升流 在分析人工魚礁上升流效應(yīng)時(shí), 選擇最大上升流流速、上升流高度和上升流面積作為衡量上升流效應(yīng)的指標(biāo)。從圖5中可以看出, PIV試驗(yàn)與Fluent數(shù)值模擬均能反映出模型礁體上方存在上升流。最大上升流流速隨來流速度的增加不斷增大, 流速計(jì)算值相對于測量值之間的相對誤差在0— 18.18%之間, 來流速度越大誤差越大; 上升流高度受來流速度的影響, 整體表現(xiàn)為上升趨勢, 計(jì)算值對于測量值之間的相對誤差在2.78%—13.19%之間, 來流速度越小誤差越大; 上升流面積隨來流速度的增加逐漸增大, 但面積計(jì)算值的增大幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于面積測量值, 相對誤差在1.29%—10.91%之間, 整體表現(xiàn)為來流速度越小, 誤差越大。

(2) 背渦流 本文選擇背渦流面積作為衡量人工魚礁背渦流效應(yīng)的重要指標(biāo)。由圖5d可以看出, 背渦流面積的計(jì)算值和測量值受來流速度的影響不是很大, 整體表現(xiàn)為隨來流速度的增加而逐漸減小的趨勢, 計(jì)算值對于測量值之間的相對誤差在0.50%—14.22%之間, 流速越大誤差越大。

2.1.2 3個(gè)圓管礁

(1) 上升流 圖6a為3個(gè)圓管礁周圍的最大上升流流速, 從圖中可以看出, 隨著來流速度的增加, 最大來流速度的計(jì)算值和測量值均不斷增大, 計(jì)算值略大于測量值, 計(jì)算值較測量值之間的相對誤差在4.00%—16.18%之間。圖6b為上升流高度與礁高比值的示意圖, 從圖中可以看出, 隨著來流速度的增加, 上升流高度的計(jì)算值和測量值均增大, 但計(jì)算值的增大幅度小于測量值的增大幅度, 整體表現(xiàn)為計(jì)算值大于測量值, 計(jì)算值對于測量值之間的相對誤差在4.09%—14.11%之間, 來流速度越大誤差越小, 其原因也可能是失蹤粒子的密度略大約水的密度。圖6c為上升流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 上升流面積的計(jì)算值和測量值均隨來流速度的增加而增大, 計(jì)算值大于測量值, 計(jì)算值對于測量值之間的相對誤差在3.18%—19.16%之間, 在大流速下誤差較小。

(2)背渦流 圖6d為3個(gè)圓管礁周圍的背渦流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 背渦流面積隨來流速度的增大呈現(xiàn)先增大后減小再增大的波動, 計(jì)算值略大于測量值, 相對誤差在10.39%— 15.83%之間, 流速越大, 誤差越大。

2.1.3 6個(gè)圓管礁

(1)上升流 圖7a為6個(gè)圓管礁周圍的最大上升流流速, 從圖中可以看出, 最大上升流流速的計(jì)算值和測量值均隨來流速度的增加而增大, 表現(xiàn)為計(jì)算值略大于測量值, 相對誤差在2.04%—12.88%之間。圖7b顯示上升流高度也隨來流速度的增加不斷增大, 計(jì)算值對于測量值的相對誤差在0—11.00%之間。圖7c為上升流面積與迎流面積, 隨來流速度的增加, 上升流面積的計(jì)算值和測量值均不斷增大, 計(jì)算值略小于測量值, 相對誤差在2.90%—14.01%之間。

圖4 5個(gè)流速下單個(gè)圓管魚礁周圍的流場分布

左側(cè)圖片均為PIV試驗(yàn)流場分布圖, 右側(cè)圖片均為數(shù)值模擬流場分布圖

圖5 單個(gè)圓管魚礁的最大上升流流速與來流速度的比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

圖6 3個(gè)圓管魚礁的最大上升流流速與來流速度的比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

圖7 6個(gè)圓管魚礁的最大上升流流速與來流速度比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

(2) 背渦流 圖7d為6個(gè)圓管后的背渦流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 背渦流面積隨來流速度的增加而增大, 計(jì)算值大于測量值, 相對誤差在1.53%—9.41%之間, 來流速度越大, 誤差越大。

分析上述3種圓管礁在數(shù)值模擬和水槽試驗(yàn)的誤差情況, 可以看出：在最大上升流流速上, 來流速度越大, 誤差越大, 主要是因?yàn)樵赑IV試驗(yàn)中, 大流速下, 上升流區(qū)域的流場發(fā)生一定的擾動, 導(dǎo)致PIV試驗(yàn)測得的流速偏小, 誤差較大; 在上升流高度上, 來流速度越小, 誤差越大, 這與水槽試驗(yàn)中采用的示蹤粒子密度略大于水(=1050kg/m3)有關(guān)。在小流速下, 粒子跟隨性下降, 導(dǎo)致誤差較大; 在背渦流面積上, 來流速度越大誤差越大, 分析原因是在Fluent數(shù)值模擬中, 渦流能非常理想的收斂, 而在PIV試驗(yàn)中, 渦流收斂不明顯, 流速越大, 收斂越慢, 誤差越大。但以上誤差均在允許范圍內(nèi), 表明數(shù)值模擬和水槽試驗(yàn)具有良好的吻合性。

2.2 單個(gè)、3個(gè)和6個(gè)圓管礁周圍流場效應(yīng)的比較

由于3種疊放數(shù)目的魚礁在PIV試驗(yàn)與模擬中實(shí)際采用的流速略有不同, 但差別不大, 因此在分析三者區(qū)別時(shí), 均采用理想流速, 即0.045、0.09、0.135、0.18和0.225m/s來區(qū)分5個(gè)流速下的魚礁周圍的流場分布。此外為了更加明確的表達(dá)魚礁周圍形成的上升流和背渦流的規(guī)模, 在此引入了絕對高度、相對高度和絕對面積、相對面積的概念。絕對高度是指魚礁周圍形成的各評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際高度, 相對高度指實(shí)際高度與礁高的比值; 絕對面積指魚礁形成的各評價(jià)指標(biāo)的實(shí)際面積, 相對面積則是指實(shí)際面積與迎流面積的比值。通過比較魚礁各評價(jià)指標(biāo)的相對值, 可以得到魚礁形狀對流場效應(yīng)的影響, 而通過比較魚礁各評價(jià)指標(biāo)的絕對值, 則可以得到魚礁個(gè)數(shù)對魚礁周圍流場的影響。

圖8a是三種數(shù)目魚礁在五種來流速度下的最大上升流流速, 從圖中可以看出, 6個(gè)圓管礁疊放后前方形成的最大上升流流速略大于其他兩種, 說明6個(gè)圓管組成的單位礁形成的上升流強(qiáng)度較大。圖8b顯示魚礁前方形成的上升流高度受來流速度的影響不大, 但隨著魚礁擺放個(gè)數(shù)的增大, 形成的上升流的相對高度逐漸減小, 這表明, 三種形狀的單位礁隨著構(gòu)成單位礁的魚礁個(gè)數(shù)的增加, 上升流高度不斷減小; 通過數(shù)據(jù)分析可知, 上升流的絕對高度隨魚礁個(gè)數(shù)的增加顯著增大, 表明魚礁投放個(gè)數(shù)越多, 形成的上升流的絕對高度越大。圖8c表明6個(gè)圓管礁上方形成的上升流的相對面積略大于另外兩種, 說明隨著構(gòu)成的單位礁中魚礁個(gè)數(shù)的增加, 上升流的相對面積略有增大; 同時(shí)數(shù)據(jù)顯示, 形成的上升流的絕對面積顯著增加, 表明隨著圓管礁投放個(gè)數(shù)的增加, 上升流的絕對面積不斷增加。圖8d為背渦流面積與迎流面積的比值, 從圖中可以看出, 背渦流的相對面積隨魚礁個(gè)數(shù)的增加而增大, 表明三種形狀的單位礁中, 背渦流的規(guī)模隨著構(gòu)成單位礁的圓管的個(gè)數(shù)增加而增大; 另外背渦流的絕對面積隨著魚礁投放個(gè)數(shù)的增加顯著增大, 表明投放魚礁個(gè)數(shù)越多, 背渦流面積越大。

圖8 3種疊放個(gè)數(shù)魚礁形成的最大上升流流速與來流速度比值(a)、上升流高度與礁高比值(b)、上升流面積與迎流面積比值(c)、背渦流面積與迎流面積比值(d)的比較

最大上升流流速:max; 來流速度:; 上升流高度:up; 礁高:; 上升流面積:up; 迎流面積:; 背渦流面積:back; 迎流面積:

3 結(jié)論

根據(jù)三種疊放個(gè)數(shù)圓管礁的PIV二維流場測試結(jié)果和Fluent數(shù)值模擬結(jié)果, 通過分析魚礁周圍流場的數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：

(1)PIV二維流場測試結(jié)果與Fluent數(shù)值模擬結(jié)果較吻合, 流場各評價(jià)指標(biāo)的誤差均在20%以下, 表明數(shù)值模擬結(jié)果能夠較好的反應(yīng)人工魚礁周圍的流場分布, 可以用來補(bǔ)充模型試驗(yàn)結(jié)果的不完善性。

(2)對于三種疊放個(gè)數(shù)的圓管礁, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果均顯示在來流速度增加時(shí), 魚礁周圍的最大上升流流速、上升流高度和上升流面積均增大, 表明上升流規(guī)模隨著來流速度的增加而增大; 背渦流面積的變化沒有規(guī)律性, 可能是由試驗(yàn)誤差所引起的。

(3)在來流速度保持一定時(shí), 上升流面積、背渦流面積的絕對值均隨魚礁疊放個(gè)數(shù)的增加而增大, 表明上升流規(guī)模和背渦流規(guī)模隨著魚礁個(gè)數(shù)的增加而增大。原因是圓管礁在疊放在一起時(shí), 魚礁的規(guī)模增大, 因此魚礁周圍的流場效應(yīng)也增強(qiáng); 另外魚礁的上升流面積和背渦流面積的相對值也隨著個(gè)數(shù)的增加而增大, 表明在單位礁的尺寸基本一致時(shí), 構(gòu)成單位礁的個(gè)數(shù)越多, 流場效應(yīng)越強(qiáng), 原因是各圓管組合在一起時(shí)能夠形成一個(gè)協(xié)同效應(yīng), 各圓管之間相互作用, 增大了魚礁的流場效應(yīng)。

本文通過PIV試驗(yàn)和Fluent數(shù)值模擬分析了不同疊放個(gè)數(shù)圓管型人工魚礁周圍的流場分布情況, 并通過比較測量值和計(jì)算值, 驗(yàn)證了數(shù)值模擬分析魚礁流場分布的可行性。通過不同疊放個(gè)數(shù)魚礁周圍流場的分析, 發(fā)現(xiàn)了一些差異和規(guī)律, 為圓管型人工魚礁的投放提供了一定的理論依據(jù), 同時(shí)也為人工魚礁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供了有價(jià)值的參考。

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NUMERICAL SIMULATION AND EXPERIMENTAL STUDY ON FLOW FIELD OF ARTIFICIAL REEFS IN THREE TUBE-STACKING LAYOUTS

ZHENG Yan-Xuan1, 2, LIANG Zhen-Lin1, 3, GUAN Chang-Tao2, SONG Xie-Fa1,LI Jiao2, CUI Yong2, LI Qiang4, SHAN Xiao-Luan4, XU Wen-Wen4

(1. Ocean University of China, Lab for water environmental engineering of marine biology, Qingdao 266003, China; 2. Yellow Sea Fisheries Research Institute, Chinese Academy of Fishery Sciences, Key Laboratory of Sustainable Development of Marine Fisheries, Ministry of Agriculture, Carbon-Sink Fisheries Laboratory, Qingdao 266071, China; 3. Shan Dong University, Weihai, Lab for fisheries engineering, Weihai 264209, China; 4. Rushan City Ocean and Fishery Administration, Weihai 264500, China)

Stacking forms of fixtures in an artificial reef at seabed affect local flow field. Tubes are widely used for artificial reefs construction in Yellow Sea and Bohai Sea. In order to optimize the function of the reefs, particle image velocimetry and Fluent numerical simulation were applied for analyzing flow fields around reefs built with tubes in three stacking strategies, i.e., single-, triple-, and hexad-tube-stacking layouts at five water flow velocities (4.5, 9.0, 13.5, 18.0, and 22.5cm/s). The results of numerical simulation are consistent with the experimental result in error of < 20%. The maximums of upwelling in velocity, height, and area increased with the increment of velocity while the maximum area of vortices varied irregularly. In addition, these maximums increased with the increment of the number of tubes in stack.

artificial reefs; effect of flow field; numerical simulation; PIV experiment

10.11693/hyhz20121108001

* 公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng), 201003068號; 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金項(xiàng)目, 2010-CHB-01號, 20603022011006號。鄭延璇, 博士研究生, E-mail: xuanxuan861220@163.com

關(guān)長濤, 研究員, E-mail: guanct@ysfri.ac.cn

2012-11-08,

2013-04-11

S931